一种远程操作机器人辅助经髂骨-经骶骨螺钉固定技术

摘要

遥操作机器人辅助经皮髂骨-骶骨螺钉固定术是一种可行的技术。由于机器人手臂具有优异的运动自由度和稳定性，螺钉通道可实现高精度置入。

摘要

经髂骨-骶骨螺钉固定在临床实践中具有挑战性，因为螺钉需要穿透六层皮质骨。经髂骨-骶骨螺钉可提供更长的力臂，以抵抗垂直方向的剪切力。然而，螺钉通道较长，微小的偏差也可能导致医源性神经血管损伤。医疗机器人的发展提高了手术的精确性。本方案描述了如何使用一种新型远程操作机器人系统实施经髂骨-骶骨螺钉固定。通过远程操作机器人，确定进钉点并调整套筒的方向。术后采用计算机断层扫描（CT）评估螺钉位置。术中透视证实所有螺钉均安全植入。术后CT确认所有螺钉均位于松质骨内。该系统结合了医生的主动性与机器人的稳定性。该手术过程可实现远程控制。与传统方法相比，机器人辅助手术具有更高的位置保持能力。与主动式机器人系统不同，外科医生对操作具有完全控制权。该机器人系统与手术室设备完全兼容，无需额外配置其他设备。

引言

骨科手术中最早应用的机器人系统是1992年采用的ROBODOC系统¹。自那以后，机器人辅助手术系统迅速发展。机器人辅助手术通过增强外科医生恢复肢体力线及关节生理运动学的能力，从而提高关节置换术的效果²。在脊柱手术中，使用机器人置入椎弓根螺钉具有良好的安全性和准确性，同时还能减少外科医生的辐射暴露³。然而，由于创伤性骨科疾病具有异质性，目前关于机器人辅助手术的研究仍较为有限。现有针对骨科创伤的机器人手术研究主要集中于机器人辅助骶髂关节螺钉与骨盆环骨折的耻骨螺钉固定⁴、股骨颈空心螺钉固定⁵、髓内钉近端入针点及远端锁定螺钉^6,7、经皮骨折复位^8,9，以及军事领域中危重伤患者的治疗¹⁰。

经皮螺钉技术可结合二维和三维导航支持进行操作。骶髂螺钉、前柱螺钉、后柱螺钉、髋臼上螺钉以及魔术螺钉是治疗骨盆及髋臼骨折最常用的经皮技术¹¹。经髂骨-骶骨经皮螺钉技术对外科医生而言仍具挑战性，实施该手术需要充分掌握骨盆解剖结构和X线透视影像，准确定位，并具备长期的手部稳定性。远程操控机器人系统能够很好地满足这些要求。本研究采用远程操控机器人系统完成骨盆环骨折的经髂骨-骶骨经皮螺钉内固定术。以下将详细介绍该操作方案的具体步骤与工作流程。

机器人系统
主从式骨科定位与导航系统（MSOPGS）主要由三部分组成：具有七个自由度（DOF）的手术机器人（从动机械臂）、具备力反馈功能的主控机械臂以及控制台。该系统具有四种工作模式：手动牵引、主从操作、运动遥中心（ROM）和应急模式。图1展示了MSOPGS的结构，其主要组成部分简要描述如下。

手术机器人（参见材料表）是一种具有七个自由度的机械臂，已通过医疗产品集成的预认证¹²。该机器人配备有力反馈传感器，可检测力的变化。机械臂可手动或远程操作。在机械臂末端安装了扭矩传感器，并与"主操作器"相映射，从而实现实时力反馈。机械臂的最大负载足以抵抗软组织作用力，并减少手术器械的抖动。机器人安装在可移动平台上，以获得稳定的操作工作空间并确保稳定性。其基座连接至"主操作器"和操作系统，能够处理来自操作系统的指令。

该 "主控操作器" 专为医疗行业设计，用于精确控制机器人。该设备具有七个主动自由度，包含高精度力反馈抓握功能。其末端执行器覆盖人手自然运动范围。采用增量控制策略实现对机械臂的直观控制。

手术系统提供四种控制机械臂的方法：手动牵引、主从操作模式、远程运动中心（RCM）和紧急制动。手术系统连接术者与机器人，并提供安全警报。手动牵引模式允许在特定工作范围内自由拖动机械臂。机械臂停止运动5秒后将自动锁定。在主从模式下，术者可使用"主操作器"控制机械臂的运动。RCM模式允许手术器械围绕器械末端进行旋转。该模式最适合用于通道的轴向透视图像重新定位，例如髋臼上通道的X线泪滴征和经髂骨-骶骨骨性通路的真实骶骨位视图。机械臂可在任意位置实施紧急制动。图2展示了系统的操作流程。

方案

该机器人技术的应用已获得华中科技大学同济医学院同济医院伦理委员会批准，并符合2013年修订的《赫尔辛基宣言》（1975年）。

1. 术前规划

1. 使用X射线透视板底座（见材料表），将尸体骨盆以仰卧位固定，方法是将两根Schanz针穿过股骨。在仰卧位时，使双侧髂后上棘同时贴紧木板，并使腰椎与地面平行。
   注：捐赠的尸体由华中科技大学同济医学院解剖学与研究部进行防腐处理。骨盆标本在腰椎第5节（L5）水平及股骨小转子下方截取。盆腔内器官已被移除，肌肉、关节囊和韧带结构保持完整。
2. 使用螺旋CT（见材料表）获取从L5椎体上缘至股骨远端转子的骨盆影像。利用工作站对所有尸体的计算机断层扫描（CT）图像进行处理，并以DICOM格式存储。
   注：CT参数：层厚0.5 mm，电流63 mA，电压140 kV。
3. 将CT扫描数据以DICOM格式导入该系统的术前规划软件（见材料表），以获得骨盆的轴向、冠状和矢状图像。
   注：DICOM文件包含CT扫描的信息，可通过自动导入重建图像。
4. 使用软件的MedCAD模块创建一个圆柱体，并通过输入直径和长度来定义其尺寸。将该圆柱体置入S1或S2椎体中，并在轴向和冠状图像上调整圆柱体中线的方向。在每幅图像中检查圆柱体边缘与皮质骨之间的关系。
   ​注：若圆柱体完全位于松质骨内（不接触皮质骨），则认为其对应S1或S2的螺钉通道。圆柱体中线的长度即为螺钉的长度。

2. 手术环境

1. 将骨盆固定在透视手术台上，取仰卧位（图1）。
2. 将机器人（见材料表）置于同侧，与手术台成45°角，C形臂则置于对侧，与手术台垂直。C形臂的显示器应朝向手术室方向，以便术者观察（图1）。
3. 将主从式骨科手术机器人系统（MSOPGS）及从动机械臂的工作站置于手术室外。术者在操作从动机械臂进行遥操作时，应能同时观察手术区域和C形臂的显示器（图1）。

3. 手术步骤

注意：系统启动并检查后，操纵器将自动部署至工作状态。

1. 使用胶带将网格定位标记固定在同侧。在骶骨正侧位影像上，利用网格定位标记选择目标区域。确保控制台已选择并启动手动牵引模式。将机械臂拖动至S1或S2经髂-经骶螺钉的进钉点大致位置（图3A、B）。
   注意：目标区域由骶骨前缘、骶神经管和椎管围成。
2. 观察骶骨正侧位影像，操作主操作器，在主从操作模式下调整远端套筒尖端，使其位于导丝进针区域（图3C）。
3. 选择RCM模式后，继续使用C型臂透视获取骶骨侧位像。调整导丝套筒中心，使其呈同心圆状，并与螺钉通道保持一致（图3D）。
4. 锁定机械臂，使用电钻经对侧髂骨插入导丝（2.5 mm 克氏针，参见材料表）。随后，在手动牵引模式下移除机器人（图3E）。
   注意：此步骤期间不得进行透视。
5. 将C型臂旋转至骨盆入口位和出口位角度（不同骨盆角度不同），以判断导丝是否穿透或接触骶骨前后皮质及骶神经管（图3F、G）。
6. 沿导丝置入一枚7.3 mm半螺纹螺钉（参见材料表），直至对侧髂骨皮质。
7. 在骨盆入口位、出口位及侧位影像上评估螺钉位置（图4）。

4. 术后评估

1. 执行步骤 1.2–1.3。
   注：CT 参数：0.5 mm 层厚，63 mA 电流，140 kV 电压。
2. 在每个轴位、冠状位和矢状位图像中检查螺钉位置。
   注：螺钉位置采用 Gras 法进行评估。具体而言，位于松质骨内的螺钉为 I 级，与皮质骨接触的螺钉为 II 级，穿透皮质骨的螺钉为 III 级。III 级表示螺钉置入位置不良，提示存在血管和神经损伤的风险¹³。

结果

一名资深骨科外科医生按照所述手术步骤完成了手术。所有螺钉（S1节段3枚，S2节段2枚）均已固定到位。每枚螺钉的置入时间（从首次X线透视到螺钉置入完成）分别为32分钟、28分钟、26分钟、20分钟和23分钟。每枚螺钉的透视时间约为5分钟。尽管术中X线透视图像显示所有螺钉位置正确，但已有若干文献强调术后需行CT扫描以评估螺钉位置。术后CT扫描未发现螺钉穿出皮质骨。所有螺钉均完全位于松质骨内（图4）。

图1：手术环境设置。 机器人手臂置于患侧，与手...

讨论

无论机器人类型如何，机器人在骨科领域的核心应用是为外科医生提供一种先进的工具，以提高手术的准确性。然而，手术机器人的出现并非取代医生。实施机器人手术的外科医生可能在手术室内，也可能不在。手术机器人通常包括一个计算机控制系统、一个负责操作的机械臂，以及一个负责追踪的导航系统。根据机器人与外科医生之间的交互方式，机器人系统可分为三类：半主动系统、被动系统和主动系统¹⁴。目前，机器人辅助主要局限于关节置换术和脊柱内固定手术，以提高手术精度^2,15,16。机器人在创伤骨科中的应用相对较少。Trauma Pod¹⁰可在战场上挽救严重创伤患者的生命，而机器人辅助骨折手术（RAFS）¹⁷和RepoRobo¹⁸可辅助完成股骨骨折复位。TiRobot 是一种半自动机器人系统，其通过...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
160层CT	United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd	uCT780	获取精确的图像和DICOM数据
电动骨钻	YUTONG Medical	无	动力系统
透视用底板	无	无	将尸体骨盆固定于手术台
Kirschner导针（K-wire）	无	2.5 mm	导引钢丝
主从式骨科定位与导航系统	United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd	无	一种用于骨科手术中螺钉置入的远程操作机器人系统
Mimics创新套件	Materialise	Mimics Medical 21	术前规划软件
移动式C形臂	United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd	uMC560i	低剂量CMOS移动式C形臂
手术台	KELING	DL·C-I	透视手术台
Schanz固定针	天津正天医疗器械有限公司	5.0 mm	用于固定尸体骨盆
半螺纹螺钉	天津正天医疗器械有限公司	7.3 mm	经髂骨-经骶骨螺钉
七自由度机械臂	KUKA, Germany	LBR Med 7 R800	用于执行外科手术操作的装置